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【CBIS2020】五星铝业边慧娟:锂离子电池集流体用铝箔的发展趋势

2020-10-16 来源:盖世直播 

2020年10月16日-17日,“第五届动力电池应用国际峰会(CBIS2020)暨首届中国新能源新材料(宁德)峰会”盛大开幕,在主题论坛2上,杭州五星铝业有限公司 总经理边慧娟发表了题为“锂离子电池集流体用铝箔的发展趋势”的精彩演讲。

边慧娟.JPG

以下为演讲实录:

大家下午好!非常感谢化学与物理协会给了这么一个机会,共聚宁德,共话新能源。我们是锂电池集流体用铝箔,今天简单跟大家分享一下我们锂电池集流体用铝箔的发展趋势。

我的报告分为四个部分,一个是公司产品介绍,第二个是集流体用铝箔的技术要求,第三个是集流体用铝箔的技术演变,第四个是集流体与铝箔的质量管控以及新的技术。

五星铝业于2018年在A股上市,是全球产销量最大的铝箔制造商,全球领先的锂电池铝箔制造商,中国民营企业500强。我们目前在全球有5个生产基地,一个在江苏镇江,一个在杭州余杭区,一个是在内蒙古。2017年,我们也响应习近平总书记的“一带一路”走到了泰国,在泰国的罗勇工业区建了一家工厂。去年12月,配合很多锂电池厂在欧洲布局,我们在意大利收购了铝箔厂。

这里我简单讲讲我们的荣誉,我们是中国铝箔材十强企业第一名,这个第一是蛮有含金量,是有色金属协会给我们公司颁发的奖项。今年又获得两个奖项,都是跟新能源相关的集流体,一个是国际首创,从之前的20微米的集流体用铝箔,减到了现在最薄9u集流体用铝箔的量产,而且8u产品已经研发出来,预计将在12月份进行量产,7u的技术已经进行技术储备。第二个创新奖是高延展性产品的技术性能奖项。

集流体顾名思义就是汇集电流的一个结构或零件,是锂离子电池中不可或缺的一个组成部件之一。而铝箔常被用作锂电池中正极的集流体,这个在座的各位大咖都比较了解,正极是用铝箔,负极用铜箔,中间用隔膜进行隔开。

其实,铝箔在整个的电芯占比中是非常小的,1%都不到,但是它的作用却非常的大。我经常跟客户交流,说我们铝箔是“负重前行”,因为铝箔单价非常低,在电芯当中占比非常小,但是附着在它身上的正极材料很贵,像有些三元的都是几十万,所以铝箔本身的价值不高,但是附着在身上的材料的价值却非常的昂贵。

这是大家都非常清楚的,我们做了一个解剖,正极、负极,中间是隔膜,这是18650的一个圆柱解剖。

简单讲一下铝箔的定性,铝箔是0.2毫米以下的统称为铝箔,这是铝加工对它的一个定性。现在的铝箔分为厚箔、单零箔、双零箔,现在的铝箔技术最薄可以到4.5个微米,但是真正在锂电池上应用的9u,动力上面最薄的也是国内头部企业现在用了10u。这是跟新能源相关的三款产品,这个没有进行过一些表面的处理、加工,厚度8微米到0.03毫米,到30微米,宽度基本上250到1450,250在实验线上用得比较多。现在量产线上,是400到600之间,动力最宽是6380。铝塑膜刚刚明冠和锂盾已经介绍,这款铝箔我们也在做,替代了日本的技术。其实,锂电池用的集流体铝箔也是这么一个情况,因为最早的时候,像日韩的锂电池起步早于中国,只是中国近几年在总量上反超了日韩。所以之前最早的时候,锂电池用集流体铝箔都是从日本进口。五星铝业2009年进入这个行业以后,开启了替代日本铝箔的进程,所以整个刚好借助于新能源汽车的风口给我们这些材料、设备企业的成长创造了技术进步、规模提升、市场飞跃的机会。

还有一款产品是我们在做的涂碳铝箔,主要厚度是12微米到18微米,合金有1100、1060、1N00、1235,涂布宽度是200到1350。碳层的厚度现在基本上1个微米,我们是双面图,就是1个微米乘以2。模式有连续涂布跟间歇涂布,应用的领域主要是储能跟EV动力,EV动力是铁锂上面用得比较多。

这是铝塑膜生产加工工艺,首先是锭块买过来进行熔炼,然后再进行连铸、连轧,再进行冷轧,到了薄胚再进行冷轧。一面是亮面,一面是哑面,经过合卷的过程进行叠轧,现在基本上用双面为主,我们铝箔进行了单张的压延,也是对我们性能的提高。最终是精轧、分切,到最后的出货,其实整个工业链还是非常长。

第二个讲讲集流体用铝箔个性化的技术要求。其实锂电池用铝箔,从2009年进入到这个行业最早的时候一窃不通,不明白这个铝箔到底怎么做。一开始采用了传统铝箔的产品的做法,可能在座的每一位都很清楚,主要用在食品包装用铝箔,包括我们的药品包装,包括男生用的男士香烟用的铝箔,那是6个微米的厚度,像女士面膜包装袋、娃哈哈、康师傅包装上面看到基本上都用到这个铝箔,其实生活方方面面都有用到铝箔。所以前期我们就采用了传统的轧制和生产工艺模式,我们也进行了一个对比,最早的时候,锂电池用铝箔是涂布的版型要求非常高。锂电池用铝箔有一个AGC的版型管控,再进行数据量化进行分析。传统铝箔只要在AGC上面能够通过就ok,相对来讲版型要求没有这么高。几何尺寸我们进行了一个比较,传统铝箔基本上厚差正负5%,宽差在1%,甚至1.5%,这个问题都不大,宽一点、长一点。但是锂电池用铝箔现在的厚差,前两天刚好也有客户提出更高的要求,就是厚差的要求后面达到正负3%。这对锂加工行业来说是很新的挑战,全部的设备厂顶多签订正负5%,不会签订正负3%或者4%这么一个数据,不来给你保障。所以这一切数据要达成,我们都要通过工艺跟我们后面设备的精调来达到。表面端面的质量,像我们这些传统用的产品是快消品,基本上使用了就扔掉了,对外观的要求也不是特别高。但是这个锂电池用的铝箔,对表面质量要求非常严格,我们称它为零缺陷,一点缺陷不能有,针孔数量、表面凹凸点等等都进行了量化。机械性能,这个最起初的时候强度基本在160到220这是中强度,高强度是250到330,延伸率大于等于3%。传统铝箔抗拉强度基本上170到190,我们延伸率是1.5,所以这个差距还是非常的大。下面要讲的是表面润湿张力,传统达因值达到30,锂电池用的铝箔要达到31,甚至达到33。假如这个润湿张力不够的话,铝箔涂正极材料,会有收缩的情况,直接影响这个涂布的质量。刚刚讲的这些都是硬性的要求。

第三点讲一讲集流体用铝箔的技术演变。从2009年进入到锂电行业,我们一开始刚刚讲了基本上就是搜索阶段,我们通过国标的标准,抗拉强度非常低,15微米大于50个,随便怎么做都可以做到。第二个阶段,我们对它进行了一个初步的认知,初步了解这个产品的特殊要求,进行工艺的设计与开发,抗拉强度延伸,包括达因、针孔提出了相似的要求。第三阶段是准备的阶段,这个阶段就是把工艺通过不断完善和提升,2016年我们参与了电池箔国家标准的制订,表面润湿张力达到30达因以上,13u的针孔10个每平方,对于毛刺、异物等等都进行了量化。现在基本上已经到了一个非常成熟的阶段,最薄8um,性能的强度大于等于200兆帕。目前用电芯生产的锂电池正极集流体铝箔厚度基本上8-20um,是高导电率、超纯、高强度、高柔韧性和超薄的集流体是未来集流体的发展趋势。

2018年的时候,版型下塌量要求10-15mm,现阶段3-5mm,个别客户甚至到1-2mm。减薄技术上,我们处于世界领先的一个地位。性能也是这么一个情况,从2017年到2020年,从180-200mpa,现在提高到260-280,延伸率由1.5-2.5提升到4,甚至到5。达因要求,现阶段都是31,甚至到33,特别有底涂这一部分,对铝箔表面残油量要求还是非常高的。对表面端面的质量要求,毛刺、缺口不得超过200um。对异物的管控,表面的残油量要求越来越高。

这是集流体用铝箔质量管控的新技术。我们通过铁、硅、铜等合金金属的调配,改变金属内部的组织结构,优化它的性能。铁的元素主要就是提高性能,我们铝箔的塑性能够提高。钛的元素提高产品的延伸率,通过钛含量,同个元素在铝基体当中提高强度是非常有效的途径,像我们铁和硅更有利于铝箔的变形。

这个离线版型检测仪,国内自主研发的第一台离线版型检测仪,最大的检测宽度可以达到1650mm。这也是残油量的检测,也是引进国内的检测设备,通过显微系统的Mapping功能,对铝箔表面残油量进行精准的分析和检测。通过在线的意大利进口的针孔检测,包括表面的质量管控,对铝箔箔面的针孔和缺陷进行一个检测的手段。从源头通过管式过滤进行表面的过滤和内部的吸附,主要针对于铝锭过来的杂质进行捕获和进化,从源头控制这个产品的品质。这是针对涂碳改性铝箔简单的介绍,涂碳改性是后面衍生出来的一款产品,等于我们在铝箔的表面进行了碳层的涂附,有效提高电池组使用的一致性,降低成本,提高活性材料和集流体的粘接力,减少极化,第四是保护集流体延长使用使命。

谢谢大家,我的报告到此结束!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)